DE2354997A1 - Vorrichtung zur steuerung der temperatur einer waermeaustauschfluessigkeit - Google Patents

Vorrichtung zur steuerung der temperatur einer waermeaustauschfluessigkeit

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Description

Vorrichtung zur Steuerung.der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeaustauschflüssigkeit nach dem Mischprinzip, mit einer Zentrifugalpumpe zur Förderung oder Umwälzung der Flüssigkeit in einem Arbeitskreislauf, mit zwei über je ein Absperrorgan, an diesen Arbeitskreislauf im Hebenschluss angeschlossenen Behältern fur die Flüssigkeit, mit Mitteln um die Temperatur der Flüssigkeit in diesen beiden Behältern auf je einem bestimmten tieferen bzw. höheren Wert als die Temperatur im Ärbeitskreislauf
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zu halten und mit je einem motorisch antreibbaren propellerartigen Umwälzorgan in Jedem Behälter.
Vorrichtungen dieser Art ermöglichen eine sehr rasche, fast verzö'gerungsfreie und vor allem sehr empfindliche und genaue Temperaturregelung. Sie finden daher überall dort Anwendung, wo es auf diese speziellen Eigenschaften ankommt. Es sind dies vor allem kalorische Messgeräte, insbesondere Wärmeflusskalorimeter. Bekanntlich hängt bei den letzteren die Qualität und Genauigkeit der Messresultate in ganz besonderem Masse von der Wirksamkeit des Temperaturregelsystems für dgs Wärmeübertragungsmedium ab.
Die bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art sind baulich zu kompliziert und aufwendig. Die Flüssigkeitsbehälter und die Pumpe und die übrigen Konstruktionselemente sird zumeist unabhängig voneinander in einem Chassis montiert und durch eine Vielzahl von relativ langen Rohrleitungen und elektrischen Kabeln miteinander verbunden. Ferner ist für den Antrieb der propellerartigen Umwälzorgane in den Behältern je ein eigener Motor vorgesehen. Durch diese unrationelle, einem sogenannten fliegenden Aufbau gleichkommende Konstruktionsweise werden viele Einzelteile und viel Raum benötigt. Ausserdem wirkt sich
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dies auch in einem relativ hohen Preis der Vorrichtung sehr nachteilig aus. ' ; '
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mängel zu beseitigen. Erfindungsgemäss wird .dies dadurch erreicht, dass die Zentrifugalpumpe zwischen den beiden Behältern ange- . ordnet ist,dasssich die Pumpenantriebswelle in den einen Behälter hinein erstreckt und den anderen Behälter vollständig durchsetzt und mit einem auf der Aussenseite dieses Behälters befestigten Antriebsmotor verbunden isty und dass die propellerartigen:Organe auf den beiden innerhalb der Behälter liegenden Pumpenwellenabschnitten sitzen.
.."-"- Der; erfindungsgemässe Aufbau ermöglicht den Antrieb der Pumpe und der beiden propellerartigen Organe in-den Behältern mit einem einzigen Antriebsmotor und mit nur wenig Einzelteilen.
■ Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Behälter unter Zwischenschaltung je eines der Absperrorgane parallel zur Zentrifugalpumpe angeschlossen sind. Bei dieser Art der Ankopplung der Behälter an den Arbeitskreis lässt sich ein sehr gedrängter und raumsparender Aufbau erreichen,. da dazu nur wenige und relativ kurze Rohrleitungen erforderlich sind. "■ - ; 5098 19/0 5 88 V :
Es können sogar die die Saugseite der Pumpe mit den Behältern verbindenden Leitungen ganz eingespart werden, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Pumpenwelle im Pumpengehäuse dichtungslos gelagert ist und die Behälter über die Durchführungen der Pumpenwelle durch das Pumpengehäuse mit der Saugseite der Pumpe kommunizierend verbunden sind. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, dass einerseits die Pumpenwelle im Pumpengehäuse nicht dicht gelagert sein muss und andererseits zwei Rohrleitungen eingespart werden. .
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst zwei
übereinander angeordnete Behälter 1 und 2 und eine zwischen diesen befindliche Zentrifugalpumpe 3. Die Pumpe 3 ist Über je einen saug- bzw. druckseitigen Anschluss 3a bzw. 3b in den Arbeitskreislauf des zu steuernden Wärmeaustauschmediums einschaltbar. In der Zeichnung ist die Pumpe beispielsweise an das geschlossene Wärmeaustauschsystem eines Wärmeflusskalorimeters W angeschlossen.
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Die beiden Behälter 1 und 2 dienen als Reservoirs für Wärmeaustaus chfltissigkeit der selben Art wie im Arbeitskreislauf. Die Temperatur dieser Flüssigkeit im oberen und unteren Behälter ist grosser bzw. kleiner als die Temperatur im Arbeitskreislauf. Zur Regelung der Temperatur in diesen Behältern dienen noch näher zu beschreibende Regeleinrichtungen.
Die beiden Behälter sind von gleicher Gestalt. Sie sind im vorliegenden Fall zylindrisch mit vertikaler Achse, könnten aber selbstverständlich auch einen pölygenalen Querschnitt haben. Das'Gehäuse 3c der Pumpe 3 ist aussei!ich ebenfalls zylindrisch ausgebildet und hat denselben Aussendurchmesser wie die beiden Behälter 1 und 2. In seiner oberen und unteren Stirnseite ist je eine Ringnut eingelassen, in welchen die Oeffnungsränder des bodenlosen oberen Behälters 2 und des deckellosen unteren Behälters 1 sitzen. Somit bilden die Stirnflächen des Pumpengehäuses 3c den Boden bzw. den Deckel des oberen bzw. des unteren Behälters. Die in den Ringnuten sitzenden Ränder der Behälter 1 und 2 sind mit je einem radial nach aussen vorspringenden Flansch la bzw. 2a versehen. Ueber diese Flansche sind die beiden Behälter 1 und 2 mittels Schrauben 4 zusammengespannt. Dadurch wird auch die Pumpe 3 zwischen den beiden Behältern festgehalten. Auf-
im wesentlichen/ ©'
grund der/gleichen Durchmesser dieser drei untereinander verbundenen Teile bilden diese eine kompakte Konstruktionsein-''
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heit. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten und eines Wärmeaustauschs zwischen den Behältern über die Pumpe besteht das Pumpengehäuse 3c aus einem Wärme isolierenden Stoff, beispielsweise glasfaserarmiertem Polytetrafluoraethylen.
ν Ausserdem ist diese ganze Konstruktionseinheit von einer nicht dargestellten Hülle aus Isoliermaterial umgeben.
Das Pumpenrad 3d der Zentrifugalpumpe 3 sitzt auf einer vertikalen Pumpenantriebswelle 5, die im oberen und unteren Teil des Pumpengehäuses 3c mittels je eines Radiallagers 5a bzw. 5b drehbar gelagert ist. Die Pumpenwelle 5 ragt nach unten in den unteren Behälter 1 hinein und trägt dort ein Repulsionsorgan, darstellungsgemäss einen Propeller 5c, welcher bei sich drehender Pumpenwelle 5 im Behälter 1 eine axiale Strömung erzeugt. In ähnlicher Weise setzt sich die Pumpenwelle 5 auch nach oben in den oberen Behälter 2 hinein fort. Sie ragt jedoch durch den Deckel dieses Behälters hindurch und ist an die Antriebswelle eines auf dem Behälterdeckel angeordneten Antriebsmotors 6 angeschlossen Ein am Deckel befestigtes Axiallager 5d sichert die Pumpenwelle gegen axiale Verschiebung. Auf dem innerhalb des oberen Behälters 2 befindlichen Pumpenwellenabschnitt .ist ebenfalls ein Propeller 5e oder dergleichen angeordnet, welcher eine axiale Strömung in der im Behälter befindlichen WärmeaustauschflUssigkeit: erzeugt. Durch diese Strömungen
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wird in den Behältern eine möglichst homogene Temperaturverteilung erreichte Zu diesem Zwecke ist auch in jedem Behälter eine zur Pumpenwelle koaxiale zylindrische Strb'mungS;-leitflache Ja bzw. 7b angeordnet, die den Umwälzeffekt noch begünstigen.
Um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums im oberen Behälter auf dan für die Funktion der ganzen Vorrichtung jeweils erforderlichen Wert zu bringen bzw. zu halten, ist der Behälter 2 mit einem elektrischen Heizelement 8 versehen. In ähnlicher Weise ist der untere Behälter 1 mit einer
Kühlschlange-9 ausgerüstet, die an eine nicht darge-. stellte Quelle für ein Kühlmedium anschliessbar
ist. Je eine Regeleinrichtung 10 bzw. 11 steuert die Temperatur der WärmeaustauschflUssigkeit im oberen bzw. unteren Behälter durch Betätigung des elektrischen Schalters 8a bzw. öffnen und Schliessen des Ventils 9a.
Die Lagerung der Pumpenantriebswelle 5 im Pumpengehäuse 3e ist stopfbüchsenlos, also nicht dicht. Somit ist der Pumpeninnenraum über die Bohrungen 16 bzw. 17 im Pümpengehäuse, durch welche die Pumpenwelle geführt ist, und die beiden Radiallager 5a bzw. 5b mit dem unteren und dem oberen Behälter ständig verbunden. Die Durchflussquerschnitte dieser Verbindungen sind dabei so bemessen, dass zwischen Pumpeninnenraum und oberem bzw. unterem Behälter kein konvektionsbedingter FlUssigkeitsaustausch stattfinden kann. Dies" kann beispielsweise durch entsprechend enge Bemessung der Bohrungen 16 und
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17 oder auch, durch eine entsprechend enge Oeffnung in den Abdeckungen der Radiallager 5a und 5b erreicht werden.
Die Druckseite der Pumpe 3, also der radial aussen liegende Bereich des Pumpeninnenraums, ist Über eine Bohrung im Pumpengehäuse 3c mit einem Anschluss 3s verbunden, an welchen über ein Verzweigungsstück zwei je ein Absperrorgan 12a und 13a enthaltende Leitungen 12 bzw. 13 angeschlossen sind. Diese Leitungen 12 und 13 münden in den unteren Teil des unteren Behälters 1 bzw. oberen Teil des oberen Behälters 2. Sie bilden zusammen mit dem jeweiligen Behälter, der Pumpe und dem Anschluss 3e zwei Nebenkreisläufe zum Arbeitskreislauf der WärmeaustauschflUssigkeit.
Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung beruht auf dem Mischungsprinzip. Im Normalzustand sind die beiden Ventile 12a und 13a geschlossen. Die Pumpe 3 wälzt dann die WärmeaustauschflUssigkeit nur im Arbeitskreislauf um. Wenn nun die Temperatur im Arbeitskreislauf ansteigen soll, wird das Ventil 13a im oberen Nebenkreislauf geöffnet. Dadurch wird ein Teil der im Arbeitskreislauf zirkulierenden Flüssigkeit durch den Anschluss 3e in den Nebenkreislauf abgezweigt. Dies bewirkt aber, dass aufgrund des nun herrschenden Ueberdrucks im oberen Behälter eine entsprechende Menge an relativ wärmerer Flüssigkeit aus dem oberen Behälter 2 durch das Radiallager 5b in die Pumpe 3 gelangt, sich dort mit der kühleren Kreislaufflüssigkeit vermischt und schliesslich eine Anhebung der Arbeitskreislauftemperatur zur Folge hat.
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In analoger Weise wird zur Temperaturerniedrigung im Arbeitskreislauf das Ventil 12a geöffnet bzw. geschlossen. Durch geeignete Wahl der Temperaturdifferenz zwischen den Flüssigkeiten in den Behältern und im Arbeitskreislauf und durch passende Dimensionierung des Strömungswiderstandes in den Nebenkreisläufen kann eine äusserst schnell reagierende Temperatursteuerung erreicht werden.
Es hat sich als besonders zweckmässig erwiesen, wenn nicht die Temperaturen der Flüssigkeiten in den Behältern 1 und 2, sondern die Differenz zwischen diesen Temperaturen und der Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit im Arbeitskreislauf konstant gehalten Wird. Zu diesem Zwecke sind zwei entsprechend ausgerüstete Regler 10 und 11 vorgesehen, die mit je einem Temperaturfühler 10a bzw, lla im Behälter 1 bzw. 2 und einem weiteren Temperaturfühler 10b im Arbeitskreis lauf, vorzugsweise am Pumpeneingang$ wie in der Zeichnung dargestellt zusammenarbeiten.
Zur automatischen Bedienung der beiden Ventile 12a und 13a ist ein weiterer Regler 14 vorgesehen, der mit einem Temperaturfühler 14a im ausgangsseltigen Pumpenanschluss 3b zusammenarbeitet. In diesem Regler wird die von einem Sollwertgeber 15 angegebene Solltemperatur der WärmeaustaüschfiÜssigkeit im Arbeitskreislauf mit dem
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vom Fühler 14a erfassten Ist-Wert verglichen. Je nach Abweichung des Ist-Werts vom Sollwert wird dann das eine oder das andere Ventil geöffnet bzw. geschlossen. Das Zudosieren von wärmerer bzw. kälterer Flüssigkeit zu der zirkulierenden WärmeaustauschflUssigkeit muss nicht stetig erfolgen, sondern geschieht vorteilhaft impulsweise. Der Regler 14 ist für diesen Fall so ausgebildet,
dass er . das betreffende Ventil 12a oder 13a immer nur für einen kurzen Moment konstanter Dauer öffnet und nur die Abstände zwischen zwei Oeffnungsimpulsen von der Sollwertabweichung der Temperatur im Arbeitskreis abhängen. Eine solche Steuerung hat den Vorteil, dass an Stelle von relativ teuren Regelventilen billigere Auf-zu-Ventile verwendet werden können.
Selbstverständlich kann der Regler 14
im Hinblick aif eine spezielle Anwendungsart der gesamten Temperatursteuervorrichtung auch anders ausgebildet sein.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist konstruktiv äusserst einfach und deshalb verhältnismässig billig. Sie benötigt insbesondere nur einen einzigen Antriebsmotor für die Umwälzpumpe und die beiden Propeller in den Behältern. Die Einzelteile einschliesslich Rohrleitungen können auf ein Minimum beschränkt und die Rohrleitungen ausserdem sehr kurz gehalten werden. Die Vorrichtung
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ist infolge der unmittelbaren Verbindung der beiden Behälter mit der Pumpe zu einem einheitlichen Komplex sehr kompakt und raumsparend. Durch die Besonderheit der Pumpenanordnung zwischen den beiden Behältern können wenigstens zwei Rohrleitungen eingespart und insbe sondere die relativ teure, dichte Lagerung der Pumpenwelle im Pumpengehäuse vermieden werden. Die Anordnung der Behälter übereinander und des Pumpenantriebsmotors au f dem oberen Behälter, ermöglicht auch eine stopfblichsenlose und deshalb billige Lagerung der Pumpenwelle im-Deckel dieses Behälters. Somit wird durch die Erfindung eine konstruktiv einfache, robuste, raumsparende und letztlich relativ billige Vorrichtung zur Temperatursteuerung geschaffen.
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Claims (13)

Ansprüche
1.) Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur einer WärmeaustauschflUssigkeit nach dem Mischprinzip, mit einer Zentrifugalpumpe zur Förderung oder Umwälzung der Flüssigkeit in einem Arbeitskreislauf, mit zwei über je ein Absperrorgan an diesen Arbeitskreislauf im Nebenschluss angeschlossenen Behältern für die Flüssigkeit, mit Mitteln um die Temperatur der Flüssigkeit in diesen beiden Behältern auf je einem bestimmten tieferen bzw. höheren Wert als die Temperatur im Arbeitskreislauf zu halten und mit je einem motorisch antreibbaren, propellerartigen Umwälzorgan in jedem der beiden Behälter, .dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugalpumpe zwischen den beiden Behältern angeordnet ist, dass sich de Pumpenantriebswelle in den einen Behälter hinein erstreckt und den anderen Behälter vollständig durchsetzt und mit einemauf der Aussenseite dieses Behälters befestigten Antriebsmotor verbunden ist, und dass die propellerartigen Organe auf den beiden innerhalb der Behälter liegenden Pumpenwellenabschnitten sitzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Behälter unter Zwischenschaltung je eines der Absperrorgane parallel zur Zentrifugalpumpe angeschlossen sind.
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3. ,Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenwelle im Pumpengehäuse dichtungslos gelagert ist und die Behälter über die Durchführungen der Pumpenwelle durch das Pumpengehäuse mit der Saugseite der Zentrifugalpumpe kommunizierend verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite der Zentrifugalpumpe mit den Behältern durch eine verzweigte Rohrleitung, in deren Zweigleitungen je eines der Absperrorgane liegt, verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse ein prismatischer oder zylindrischer Block von wenigstens angenähert gleicher äusserer Querschnittsgestalt wie die beiden Behälter ist und dass die Behälter und das Pumpengehäuse' zu einem einheitlichen prismatischen bzw. zylindrischen Komplex verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Kunststoff besteht.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter Übereinander angeordnet sind und der Antriebsmotor auf dem oberen Behälter montiert ist. . :
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8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Behältern zylindrische, die Pumpenwelle und die propellerartigen Organe koaxial umschliessende Strömungsleitflächen angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Behälter mit einer elektrischen Heizung und der andere Behälter mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Temperatur in den beiden Behältern so ausgebildet sind, dass die FlUssigkeitstemperatur im einen Behälter um einen bestimmten Betrag niedriger und im anderen Behälter um einen
bestimmten Betrag höher ist als die Temperatur an einer bestimmten, vorzugsweise am Pumpeneingang liegenden Messstelle im Arbeitskreislauf.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler vorgesehen ist,welche das Absperrorgan im einen oder anderen Nebenkreislauf öffnet, je nach dem, ob die Temperatur der WärmeaustauschflUssigkeit im Arbeitskreislauf steigen oder fallen soll.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Regler das betreffende Absperr-
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organ impulsweise öffnet und schliesst, wobei das Verhältnis von Oeffnungsimpulsdauer zu Impulspause von der Grosse derSollwertabweichung der Temperatur im Arbeitskreislauf
abhängt.
13. Verwendung der Vorrichtung nach eLnemlder vorangehenden Ansprüche zur Steuerung der Temperatur der WärmeaustauschflUssigkeit in einem Wärmeflusskalorimeter.
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